KR20220090283A - 홀딩 브레이크 구조가 개선된 전동 실린더 장치 - Google Patents

홀딩 브레이크 구조가 개선된 전동 실린더 장치 Download PDF

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김양환
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디와이파워 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 홀딩 브레이크 구조가 개선된 전동 실린더 장치는, 전기 에너지를 회전운동 에너지로 변환하는 모터부; 상기 모터부에 동력적으로 연결되어 상기 모터부의 토크를 증가시키는 감속 기어부; 및 상기 감속 기어부와 동력적으로 연결되어 회전운동 에너지를 직선운동 에너지로 변환하는 스크루부;를 포함하는 전동 실린더 장치에 있어서, 상기 감속 기어부는, 감속기어 하우징과 상기 감속기어 하우징의 내부에 설치되는 기어 모듈을 포함하며, 상기 스크루부는, 일단부가 상기 감속기어 하우징에 고정된 중공의 실린더; 상기 실린더의 내부에 회전 가능하게 배치되며 상기 기어 모듈에 의해 회전되는 스크루 샤프트; 상기 스크루 샤프트의 외주면에 회전 가능하게 결합되며 상기 실린더의 내부에서 상기 스크루 샤프트의 길이 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치된 피스톤; 및 상기 스크루 샤프트의 외주면에 대해 이동 가능하게 설치되어 상기 피스톤과 일체로 이동하는 로드; 를 포함하며, 상기 스크루 샤프트의 홀딩 브레이크 작용을 수행하는 브레이크 모듈을 구비하며, 상기 브레이크 모듈은, 상기 스크루 샤프트의 말단부에 형성된 스플라인 기어; 상기 스플라인 기어의 하방에 설치되며 상기 스플라인 기어와 분리 또는 결합되게 설치되며 상단부에 상기 스플라인 기어와 맞물리는 랙 기어가 구비된 브레이크 랙; 상기 브레이크 랙의 하방에 설치되는 전자석; 상기 전자석과 상기 브레이크 랙은 스프링을 매개로 결합됨으로써, 상기 전자석과 상기 브레이크 랙의 자기력에 의해 상기 브레이크 랙과 상기 스플라인 기어가 결합 또는 분리될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

홀딩 브레이크 구조가 개선된 전동 실린더 장치{Electric cylinder apparatus provided with improved holding brake structure}
본 발명은 전동 실린더 장치에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 모터에 의해 회전 구동되는 스크루 샤프트의 홀딩 브레이크 구조에 관한 것이다.
전동 실린더 장치는 전기 모터에 의한 회전력을 직선 운동으로 변환하여 사용하는 장치이다. 전동 실린더 장치는 전형적인 전동 액추에이터의 일 예로서, 종래의 유압 실린더 장치가 적용될 수 있는 설비에 대체 설비로서 사용될 수 있다. 전동 실린더 장치가 적용될 수 있는 구조는 선박의 해치(hatch) 개폐 장치, 보트(boat)의 선외기 엔진 틸팅 장치, 지게차의 조향(steering) 장치, 건설기계의 아웃리거(outrigger) 등을 예로 들 수 있다.
전동 실린더 장치의 일 예가 대한민국 등록특허 제10-1848115호에 개시되어 있다. 전동 실린더 장치의 주요 구성 요소는 회전 구동력을 발생시키는 모터부, 상기 모터의 회전 토크를 배가시키는 감속 기어부, 상기 감속 기어부에 의해 실린더 내에 회전 가능하게 설치되는 스크루부로 구성된다. 상기 스크루부는 스크루 샤프트의 회전 운동에 의해 실린더 내에서 직선운동을 하는 피스톤, 상기 피스톤과 일체로 직선운동을 함으로써 실린더 외부로 신장되거나 실린더의 내부로 몰입되는 로드를 포함한다. 상기 피스톤은 볼 스크루에 의해 상기 스크루 샤프트와 회전 가능하게 결합된다. 상기 스크루 샤프트는 실린더 내에서 회전 운동만을 수행하며 직선 운동은 실린더와 로드가 수행한다.
이와 같은 전동 실린더 장치는 지면에 경사진 상태로 설치되는 경우가 많다. 이와 같은 경우에 전동 실린더 장치의 브레이크 기능이 상실되거나 감속 기어부에 문제가 발생한 경우 전동 실린더를 구성하는 로드가 예기치 않게 출몰되어 안전상 심각한 문제를 초래할 수 있다.
종래의 전동 실린더 장치에서 스크루 샤프트의 회전을 제한하는 브레이크 구조는 전자기력을 이용하여 브레이크 슈(brake shoe)를 스크루 샤프트와 함께 회전하는 디스크에 압착시켜 제동하는 구조가 채용되었다.
그런데, 종래 구조의 브레이크는 스크루 샤프트에 윤활 기능을 수행하는 오일이나 그리스(grease)가 도포되어 있으므로 브레이크 슈와 디스크 간 마찰력이 작아져서 원활한 홀딩 브레이크(제동) 효과가 구현되지 않는 문제점이 있다. 또한, 종래 구조의 브레이크는 스크루 샤프트의 길이 방향으로 움직인 브레이크 슈 구조로 설치되므로 홀딩 브레이크 적용시 스크루부의 패키지 공간을 차지하여 로드의 신축 스트로크가 작아지는 문제점이 있다.
001 KR 10-1848115 B1 (2018.04.05) 002 KR 10-2016-0006135 A (2016.01.18)
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 전동 실린더 장치를 구성하는 스크루 샤프트가 예기치 않게 작동하는 것을 방지할 수 있도록 홀딩 브레이크 구조를 개선함으로써 신뢰성이 높은 홀딩 브레이크 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 홀딩 브레이크 구조가 개선된 전동 실린더 장치는, 전기 에너지를 회전운동 에너지로 변환하는 모터부;
상기 모터부에 동력적으로 연결되어 상기 모터부의 토크를 증가시키는 감속 기어부; 및
상기 감속 기어부와 동력적으로 연결되어 회전운동 에너지를 직선운동 에너지로 변환하는 스크루부;를 포함하는 전동 실린더 장치에 있어서,
상기 감속 기어부는, 감속기어 하우징과 상기 감속기어 하우징의 내부에 설치되는 기어 모듈을 포함하며,
상기 스크루부는,
일단부가 상기 감속기어 하우징에 고정된 중공의 실린더;
상기 실린더의 내부에 회전 가능하게 배치되며 상기 기어 모듈에 의해 회전되는 스크루 샤프트;
상기 스크루 샤프트의 외주면에 회전 가능하게 결합되며 상기 실린더의 내부에서 상기 스크루 샤프트의 길이 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치된 피스톤; 및
상기 스크루 샤프트의 외주면에 대해 이동 가능하게 설치되어 상기 피스톤과 일체로 이동하는 로드; 를 포함하며,
상기 스크루 샤프트의 홀딩 브레이크 작용을 수행하는 브레이크 모듈을 구비하며,
상기 브레이크 모듈은,
상기 스크루 샤프트의 말단부에 형성된 스플라인 기어;
상기 스플라인 기어의 하방에 설치되며 상기 스플라인 기어와 분리 또는 결합되게 설치되며 상단부에 상기 스플라인 기어와 맞물리는 랙 기어가 구비된 브레이크 랙;
상기 브레이크 랙의 하방에 설치되는 전자석;
상기 전자석과 상기 브레이크 랙은 스프링을 매개로 결합됨으로써, 상기 전자석과 상기 브레이크 랙의 자기력에 의해 상기 브레이크 랙과 상기 스플라인 기어가 결합 또는 분리될 수 있도록 구성된 점에 특징이 있다.
상기 스프링은 압축 코일 스프링이며,
상기 전자석에 전기가 공급된 상태에서 상기 전자석은 상기 브레이크 랙과 인력이 작용하도록 구성된 것이 바람직하다.
상기 랙 기어는 적어도 3개의 톱니를 구비한 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 홀딩 브레이크 구조가 개선된 전동 실린더 장치는, 스크루 샤프트의 단부에 형성된 스플라인 기어에 전자석과 스프링으로 제어되는 브레이크 랙이 가동 결합 또는 분리됨으로써 신뢰성이 높은 홀딩 브레이크 작용을 구현할 수 있으며, 브레이크 랙이 스크루 샤프트의 반경 방향으로 가동되도록 구성됨으로써 스크루부의 패키지 공간을 현저하게 적게 점유하여 전동 실린더 장치의 스트로크를 종래 구조에 비하여 길게 설계할 수 있는 작용 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 전동 실린더 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 Ⅱ - Ⅱ 선 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 "A" 부위의 확대도이다.
도 4는 도 3에 도시된 브레이크 모듈의 입체적인 구조를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 Ⅴ - Ⅴ 단면도로서 브레이크 랙이 스플라인 기어로부터 분리된 상태를 보여주는 도면이다.
도 6은 도 5에 대응하는 도면으로서 브레이크 랙이 스플라인 기어에 결합된 상태를 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전동 실린더 장치의 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 Ⅱ - Ⅱ 선 단면도이다. 도 3은 도 2에 도시된 "A" 부위의 확대도이다. 도 4는 도 3에 도시된 브레이크 모듈의 입체적인 구조를 보여주는 도면이다. 도 5는 도 4에 도시된 Ⅴ - Ⅴ 단면도로서 브레이크 랙이 스플라인 기어로부터 분리된 상태를 보여주는 도면이다. 도 6은 도 5에 대응하는 도면으로서 브레이크 랙이 스플라인 기어에 결합된 상태를 보여주는 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 스크루 샤프트의 베어링 커버 조립 구조가 개선된 전동 실린더 장치(10, 이하 "전동 실린더 장치"라 함)는 모터부(20)와, 감속 기어부(30)와, 스크루부(40)와, 홀딩 브레이크 모듈(90)을 포함한다.
상기 모터부(20)는 전기 에너지를 회전운동 에너지로 변환하는 모듈이다. 상기 모터부(20)는 고정자와 회전자를 포함하는 물리적인 모터부를 포함하며 이에 부가하여 제어부를 더 포함할 수 있다. 상기 모터부(20)는 출력축을 통해 회전운동을 발생시킨다.
상기 감속 기어부(30)는 상기 모터부(20)에 동력적으로 연결되어 있다. 상기 감속 기어부(30)는 상기 모터부(20)의 토크를 증가시키는 역할을 수행한다. 상기 감속 기어부(30)는, 감속기어 하우징(32)과, 기어 모듈(35)을 포함한다.
상기 감속기어 하우징(32)은 기어 모듈(35)을 내부에 수용하는 하우징이다. 상기 감속기어 하우징(32)은 다수의 금속 판재를 리벳팅, 용접, 볼팅 등의 방식으로 결합하여 제조될 수 있다. 상기 기어 모듈(35)은 직경과 기어수가 서로 다른 복수의 기어 세트로 구성된다. 상기 기어 모듈(35)은 상기 모터부(20)와 동력적으로 연결됨으로써 회전수가 감소되면서 토크가 증가되는 기능을 수행한다.
상기 스크루부(40)는 상기 감속 기어부(30)와 동력적으로 연결되어 회전운동 에너지를 직선운동 에너지로 변환하는 기능을 수행하는 부분이다.
더 구체적으로 상기 스크루부(40)는 실린더(50)와, 스크루 샤프트(60)와, 피스톤(70)과, 로드(80)를 포함한다.
상기 실린더(50)는 중공의 구조물이다. 상기 실린더(50)의 일단부는 상기 감속기어 하우징(32)에 고정된다. 상기 실린더(50)는 예컨대 상기 감속기어 하우징(32)에 용접에 의해 고정될 수 있다.
상기 스크루 샤프트(60)는 상기 실린더(50)의 내부에 회전 가능하게 배치된다. 상기 스크루 샤프트(60)는 복수의 베어링 세트에 의해 상기 실린더(50) 내주면에 대해 회전 가능하게 설치될 수 있다. 상기 스크루 샤프트(60)는 상기 기어 모듈(35)에 의해 회전된다. 상기 스크루 샤프트(60)의 외주면에는 수나사부 형태의 스크루가 형성된다. 상기 스크루는 후술하는 피스톤(70)을 직선운동하도록 유도한다.
상기 피스톤(70)은 상기 스크루 샤프트(60)에 회전 가능하게 결합된다. 상기 피스톤(70)은 상기 스크루 샤프트(60)의 외주면에 볼을 매개로 나사 결합될 수 있다. 상기 피스톤(70)은 상기 실린더(50)의 내부에서 상기 스크루 샤프트(60)의 길이 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치된다. 상기 스크루 샤프트(60)가 회전하면 상기 피스톤(70)은 상기 스크루 샤프트(60)를 따라 직선운동을 한다. 상기 피스톤(70)은 상기 스크루 샤프트(60)의 회전 방향에 따라 전진 또는 후진할 수 있다.
상기 로드(80)는 상기 스크루 샤프트(60)의 외주면에 대해 이동 가능하게 설치된다. 상기 로드(80)는 내부에 중공부가 구비되어 상기 스크루 샤프트(60)의 외주면에 이동 가능하게 결합된다. 상기 로드(80)의 일단부는 상기 피스톤(70)에 고정된다. 상기 로드(80)의 타단부는 상기 실린더(50) 외부로 돌출된다. 상기 로드(80)의 타단부와 상기 실린더(50) 사이에는 밀봉 구조물이 구비된다.
상기 브레이크 모듈(90)은 상기 스크루 샤프트(60)의 홀딩 브레이크 작용을 수행하는 장치다.
상기 브레이크 모듈(90)은 스플라인 기어(92)와, 브레이크 랙(94)과, 전자석(96)과, 스프링(97)을 포함한다.
상기 스플라인 기어(92)는 상기 스크루 샤프트(60)의 말단부에 형성된다. 상기 스플라인 기어(92)는 상기 스크루 샤프트(60)의 둘레를 따라 형성된 평기어(spur gear) 형태의 구조물이다.
상기 브레이크 랙(94)은 상기 스플라인 기어(92)의 하방에 설치 된다. 상기 브레이크 랙(94)은 상기 스플라인 기어(92)와 분리 또는 결합되게 설치된다. 상기 브레이크 랙(94)은 상단부에 상기 스플라인 기어(92)와 맞물리는 랙 기어(95)가 구비된다. 상기 랙 기어(95)는 적어도 3개 이상의 톱니를 구비한 것이 바람직하다.
상기 전자석(96)은 상기 브레이크 랙(94)의 하방에 설치된다. 상기 전자석(96)은 상기 감속기어 하우징(32)에 고정된 상태로 설치된다. 상기 전자석(96)은 전기가 인가될 경우에만 자기장을 형성한다.
상기 스프링(97)은 상기 전자석(96)과 상기 브레이크 랙(94)을 결합하는 매개체이다. 상기 스프링(97)은 압축 코일 스프링이 채용될 수 있다. 상기 스프링(97)은 상기 브레이크 랙(94)을 상기 전자석(96)으로부터 멀어지는 방향으로 탄성 복원력을 작용 시킨다. 이에 따라, 상기 전자석(96)과 상기 브레이크 랙(94)의 자기력에 의해 상기 브레이크 랙(94)과 상기 스플라인 기어(92)가 결합 또는 분리될 수 있다. 더 구체적으로 상기 전자석(96)에 전기가 공급될 경우에는 상기 전자석(96)은 상기 브레이크 랙(94)을 끌어 당기는 인력이 작용한다. 이에 따라 상기 브레이크 랙(94)은 상기 스프링(97)의 탄성 복원력을 극복하고 상기 전자석(96)과 더 가까워지는 방향으로 이동함으로써 상기 브레이크 랙(94)은 상기 스플라인 기어(92)와 분리된다. 한편, 상기 전자석(96)에 전기가 인가되지 않을 경우에는 상기 전자석(96)의 자기장이 해제된다. 이에 따라 상기 스프링(97)의 탄성 복원력에 의해 상기 브레이크 랙(94)은 상기 전자석(96)으로부터 멀어지는 방향으로 이동한다. 이에 따라 상기 브레이크 랙(94)은 상기 스플라인 기어(92)에 맞물리게 된다. 이에 따라 상기 전자석(96)에 전기의 공급이 끊길 경우에 상기 브레이크 모듈(90)에 홀딩 브레이크 작용을 수행한다.
이하에서는 상술한 바와 같은 구성요소를 포함한 전동 실린더 장치(10)의 홀딩 브레이크 작용 효과를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 전동 실린더 장치(10)가 구동되는 경우, 먼저 상기 모터부(20)에 전원이 인가되어 상기 모터부(20)의 출력축이 회전한다. 상기 모터부(20)의 회전 운동에너지는 상기 감속 기어부(30)의 기어 모듈(35)을 회전시킨다. 이 과정에서 상기 모터부(20)에 전원이 인가되는 동시에, 상기 전자석(96)에도 전기가 공급된다. 이에 따라 상기 스플라인 기어(92)에 맞물려 있던 상기 브레이크 랙(94)이 하방으로 이동하여 홀딩 브레이크 작용이 해제된다.
상기 기어 모듈(35)은 상기 모터부(20)의 출력축에 비하여 회전수가 줄어들고 토크를 증가시키는 역할을 수행한다. 상기 감속 기어부(30)가 동력적으로 연결된 스크루 샤프트(60)가 회전한다. 스크루 샤프트(60)가 회전함에 따라 피스톤(70)은 실린더 내주면을 따라 직선 운동한다. 피스톤(70)이 직선 운동을 하면, 로드(80)는 피스톤(70)과 일체로 움직이므로 신장 또는 수축하게 된다. 로드(80)의 외측단부에 연결된 장비가 로드(80)의 직선 운동에 의해 물리적인 작용을 수행한다.
그런데, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 정상적으로 작동하던 전동 실린더 장치(10)에 예기치 않게 전원 공급이 중단될 수 있다. 이 경우 상기 모터부(20)와 상기 전자석(96)에 전기 공급이 중단된다. 이에 따라 상기 전자석(96)에 의해 형성된 자기장이 해제된다. 이에 따라 스프링(97)의 탄성 복원력에 의해 상기 브레이크 랙(94)이 상기 전자석(96)으로부터 멀어지는 방향으로 이동한다. 이에 따라 도 6에 도시된 바와 같이 상기 랙 기어(95)와 상기 스플라인 기어(92)가 서로 맞물린다. 그 결과 상기 스플라인 기어(92)의 회전이 상기 브레이크 랙(94)에 의해 방지된다. 이와 같은 과정에 의해 상기 스크루 샤프트(60)의 홀딩 브레이크 작용이 수행된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 전동 실린더 장치는, 스크루 샤프트의 단부에 형성된 스플라인 기어에 전자석과 스프링으로 제어되는 브레이크 랙이 가동 결합 또는 분리됨으로써 신뢰성이 높은 홀딩 브레이크 작용을 구현할 수 있으며, 브레이크 랙이 스크루 샤프트의 반경 방향으로 가동되도록 구성됨으로써 스크루부의 패키지 공간을 현저하게 적게 점유하여 전동 실린더 장치의 스트로크를 종래 구조에 비하여 길게 설계할 수 있는 작용 효과를 제공한다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.
10 : 전동 실린더 장치
20 : 모터부
30 : 감속 기어부
32 : 감속기어 하우징
35 : 기어 모듈
40 : 스크루부
50 : 실린더
60 : 스크루 샤프트
70 : 피스톤
80 : 로드
90 : 브레이크 모듈
92 : 스플라인 기어
94 : 브레이크 랙
95 : 랙 기어
96 : 전자석
97 : 스프링

Claims (3)

  1. 전기 에너지를 회전운동 에너지로 변환하는 모터부;
    상기 모터부에 동력적으로 연결되어 상기 모터부의 토크를 증가시키는 감속 기어부; 및
    상기 감속 기어부와 동력적으로 연결되어 회전운동 에너지를 직선운동 에너지로 변환하는 스크루부;를 포함하는 전동 실린더 장치에 있어서,
    상기 감속 기어부는, 감속기어 하우징과 상기 감속기어 하우징의 내부에 설치되는 기어 모듈을 포함하며,
    상기 스크루부는,
    일단부가 상기 감속기어 하우징에 고정된 중공의 실린더;
    상기 실린더의 내부에 회전 가능하게 배치되며 상기 기어 모듈에 의해 회전되는 스크루 샤프트;
    상기 스크루 샤프트의 외주면에 회전 가능하게 결합되며 상기 실린더의 내부에서 상기 스크루 샤프트의 길이 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치된 피스톤; 및
    상기 스크루 샤프트의 외주면에 대해 이동 가능하게 설치되어 상기 피스톤과 일체로 이동하는 로드; 를 포함하며,
    상기 스크루 샤프트의 홀딩 브레이크 작용을 수행하는 브레이크 모듈을 구비하며,
    상기 브레이크 모듈은,
    상기 스크루 샤프트의 말단부에 형성된 스플라인 기어;
    상기 스플라인 기어의 하방에 설치되며 상기 스플라인 기어와 분리 또는 결합되게 설치되며 상단부에 상기 스플라인 기어와 맞물리는 랙 기어가 구비된 브레이크 랙;
    상기 브레이크 랙의 하방에 설치되는 전자석;
    상기 전자석과 상기 브레이크 랙은 스프링을 매개로 결합됨으로써, 상기 전자석과 상기 브레이크 랙의 자기력에 의해 상기 브레이크 랙과 상기 스플라인 기어가 결합 또는 분리될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 홀딩 브레이크 구조가 개선된 전동 실린더 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스프링은 압축 코일 스프링이며,
    상기 전자석에 전기가 공급된 상태에서 상기 전자석은 상기 브레이크 랙과 인력이 작용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 홀딩 브레이크 구조가 개선된 전동 실린더 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 랙 기어는 적어도 3개의 톱니를 구비한 것을 특징으로 하는 홀딩 브레이크 구조가 개선된 전동 실린더 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160006135A (ko) 2015-12-23 2016-01-18 안병노 전동 실린더
KR101848115B1 (ko) 2011-01-13 2018-04-11 신토고교 가부시키가이샤 전동 실린더 시스템

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